JP2005131940A - Manufacturing method for matrix for microlens array - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a matrix for a microlens array, which enables the manufacture of the matrix for the microlens array, composed of a unit cell with curvature controlled with an extremely high degree of accuracy, on a conventionally unrealizable large-area substrate by solving the problem of roughening of a substrate surface, as a defect in laser ablation. <P>SOLUTION: In this manufacturing method for the matrix for forming an optical member provided with the many microlens arrays, a photomask 2, where a mask pattern is formed, is arranged above the substrate 1; a laser beam 3 is applied via the photomask 2, so that a desired three-dimensional pattern depending on the mask pattern can be formed on the substrate 1; in this case, the spot size of the laser beam 3 is increased so that the laser beam can pass through the photomask 2; and subsequently, the spot size of the laser beam 3 is reduced for the application of the laser beam 1 to the surface of the substrate 1, so that the surface of the substrate can be partially evaporated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ用母型の製造方法に関し、特に、リアプロジェクションディスプレイ用スクリーンの一部を成すマイクロレンズアレイシートを製造するために使用される大面積母型を製造する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a matrix for a microlens array, and more particularly to a method for manufacturing a large area matrix used to manufacture a microlens array sheet that forms part of a screen for a rear projection display. is there.

一般にリアプロジェクションディスプレイ装置は主として、画像を生成する部品である光学エンジン、そこから出射された画像光を投影用スクリーンに投影するための光学系、そして画像光を受ける投影用スクリーンの3種類の部品から成る。   In general, a rear projection display device mainly includes three types of components: an optical engine that is a component that generates an image, an optical system that projects image light emitted therefrom onto a projection screen, and a projection screen that receives the image light. Consists of.

このなかで、観察者からもっとも近い位置にある投影用スクリーンは2種類の光学部材から構成されており、これらは一般に、光学エンジン側からフレネルレンズ及びレンティキュラ板と呼ばれている。フレネルレンズの機能は画像光全体のコリメーションであり、レンティキュラ板の機能は個々の画素から出射される画素光の拡散角調整である。   Among these, the projection screen closest to the observer is composed of two types of optical members, which are generally called Fresnel lenses and lenticular plates from the optical engine side. The function of the Fresnel lens is collimation of the entire image light, and the function of the lenticular plate is adjustment of the diffusion angle of the pixel light emitted from each pixel.

光学エンジンから出射された画像光は投影用スクリーンに到達した際に投影用スクリーンの有効表示領域に一致した断面を持つように光学系によって拡大されるので、光学エンジンからの光束は観察者方向に向かって拡散しているが、各画素から出射される画像光のすべてが同一方向に拡散しているわけではない。出射された画像光の強度が最大となる方向は画素毎に異なっているので、画素光拡散角調節機能を持たない投影用スクリーンを使用した場合には、どの方向から見ている観察者にとっても表示画面の全体にわたって同一の表示品質を示すことができない。これは、視角−輝度分布特性が画素毎に異なるためである。   When the image light emitted from the optical engine reaches the projection screen, it is magnified by the optical system so that it has a cross section that matches the effective display area of the projection screen. Although all the image light emitted from each pixel is diffused in the same direction. Since the direction in which the intensity of the emitted image light is maximum differs for each pixel, when using a projection screen that does not have a pixel light diffusion angle adjustment function, it is possible for an observer viewing from any direction. The same display quality cannot be shown over the entire display screen. This is because the viewing angle-luminance distribution characteristics are different for each pixel.

ところで、データ表示、たとえばコンピュータのモニターにとっては有効視野角範囲から見ているどの観察者に対しても画面の全体にわたって同一の表示品質を示すことが必要との設計思想がある。このためには画面を構成するすべての画素から出射された個々の画素光の強度がその有効視野角内でいずれの出射角方向にも同一となるように拡散されることが必要である。このような拡散面を使用した場合、有効視野角範囲内外の境界部に位置する観察者にとってはごくわずかの視点の移動で表示品質の急激な変化を見ることになるが、本質的に使用者すなわち観察者は一人なので問題にはならないと考えられている。   By the way, for data display, for example, a computer monitor, there is a design philosophy that it is necessary to show the same display quality over the entire screen to any observer who is viewing from an effective viewing angle range. For this purpose, it is necessary that the intensity of the individual pixel light emitted from all the pixels constituting the screen is diffused so as to be the same in any emission angle direction within the effective viewing angle. When such a diffusing surface is used, an observer who is located at the boundary between the inside and outside of the effective viewing angle range will see a sudden change in display quality with only a slight movement of the viewpoint. In other words, it is considered that there is no problem because there is only one observer.

また、有効視野角範囲内における観察者の位置により表示品質が徐々に変化することが好ましいとの設計思想もあり、これは多人数で使用する場合、すなわちテレビに適していると考えられている。多くの場合真正面すなわち視角(スクリーン面への垂線と観察者の視線がなす角度)=0°から見た時の輝度が最大で視角が傾いて行くに従い徐々に輝度が低下するような拡散パターンの設計がなされる。現在市場で見ることのできるプロジェクションディスプレイの多くはこのような特性を狙って設計されている。この場合もすべての画素から出射光の拡散パターンを同一にする必要がある。   There is also a design philosophy that it is preferable that the display quality gradually changes depending on the position of the observer within the effective viewing angle range, which is considered suitable for use by a large number of people, that is, for a television. . In most cases, the diffusion pattern is such that the brightness is the maximum when viewed from the front, that is, the viewing angle (the angle formed by the perpendicular to the screen and the viewer's line of sight) = 0 °, and gradually decreases as the viewing angle tilts. Design is made. Many of the projection displays that can be seen on the market today are designed with these characteristics in mind. Also in this case, it is necessary to make the diffusion pattern of the emitted light from all the pixels the same.

投影用スクリーン上のすべての画素から出射された個々の画素光の拡散パターンを同一にするためには、光学エンジンから拡大光学系により投影用スクリーン面に様々な入射角度で到達し、それぞれ異なる光度の角度分布を有した個々の画素光に対し光学系を用いた補正を行わなくてはならない。   In order to make the diffusion pattern of each pixel light emitted from all the pixels on the projection screen the same, it reaches the projection screen surface from the optical engine by the magnifying optical system at various incident angles and has different luminous intensity. Correction using an optical system must be performed for each pixel light having an angular distribution of λ.

すなわち、投影用スクリーン面の各画素に対応したそれぞれの位置に光軸(最大光度を示す方向)と拡散角を補正するマイクロレンズを設けることにより上記目的を達成することができる。   That is, the above object can be achieved by providing a microlens for correcting the optical axis (the direction indicating the maximum luminous intensity) and the diffusion angle at each position corresponding to each pixel on the projection screen surface.

しかし、投影用スクリーン面上の多数の画素に対応した位置に正確にマイクロレンズを配置することは極めて精密な位置決め操作が必要なため、その設備には高額の費用を必要とし、生産性も低いために製造コストが過大なものとなる。   However, since it is necessary to perform a very precise positioning operation to accurately place the microlens at positions corresponding to a large number of pixels on the projection screen surface, the equipment is expensive and the productivity is low. Therefore, the manufacturing cost becomes excessive.

また、このようなマイクロレンズアレイは特定の光学系と光学エンジンの組み合わせに対して設計されたものであるため汎用性がないことからさらに製造コストが増大する。   In addition, since such a microlens array is designed for a combination of a specific optical system and an optical engine, it has no versatility, so that the manufacturing cost further increases.

そこで、光学エンジン側の画素と投影用スクリーン面上の画素の位置決め操作を回避するために、投影用スクリーン面上に配置するマイクロレンズを複数に分割することが一般に行われる。   Therefore, in order to avoid the positioning operation of the pixel on the optical engine side and the pixel on the projection screen surface, the microlens arranged on the projection screen surface is generally divided into a plurality of parts.

このとき、投影用スクリーン面上に配置するマイクロレンズのピッチを画素ピッチの1/5以下とすればある程度位置ずれが生じても解像度の目に見える低下は起こらないと考えられる。   At this time, if the pitch of the microlenses arranged on the projection screen is set to 1/5 or less of the pixel pitch, it is considered that no visible decrease in resolution occurs even if a positional deviation occurs to some extent.

一方、投影用スクリーン面上の各画素からの出射光の光軸と拡散角を補正するマイクロレンズをそれぞれ設計して製作することはきわめて繁雑かつ困難であることから、一旦コリメートしてスクリーンへの入射光の全体を平行光に変換し、マイクロレンズアレイでは光軸補正を行わない方法が現在では採られている。   On the other hand, it is extremely complicated and difficult to design and manufacture microlenses that correct the optical axis and diffusion angle of the light emitted from each pixel on the projection screen surface. Currently, a method is employed in which the entire incident light is converted into parallel light, and the optical axis correction is not performed in the microlens array.

即ち、投影用スクリーンの光学エンジン側にまずフレネルレンズを配置してコリメーションを行い、フレネルレンズから出射してくる平行光の拡散角をマイクロレンズアレイで補正する。マイクロレンズアレイに入射してくる画像光は平行光なので出射光に角度分布を持たせて広げること、すなわち拡散角補正がマイクロレンズアレイの最も重要な機能である。角度分布はマイクロレンズアレイを構成する単位胞の曲面形状で決定される。   That is, the Fresnel lens is first arranged on the optical engine side of the projection screen to perform collimation, and the diffusion angle of the parallel light emitted from the Fresnel lens is corrected by the microlens array. Since the image light incident on the microlens array is parallel light, it is the most important function of the microlens array to widen the outgoing light with an angular distribution, that is, to correct the diffusion angle. The angular distribution is determined by the curved surface shape of the unit cell constituting the microlens array.

以上、現在ではプロジェクションディスプレイ用スクリーンのすべてがこの構成をとっている。   As described above, all of the projection display screens have this configuration.

しかしながら、現状使用されているマイクロレンズアレイは未だに重大な欠点を有している。プロジェクションディスプレイ用スクリーンに使用されるマイクロレンズアレイは一般にレンティキュラ板と呼ばれるシリンドリカルレンズアレイであり、一軸方向にしか拡散角補正機能がない。現在のリアプロジェクションディスプレイの主用途がテレビであり、多人数で見ることが多いため、拡散角補正を必要とする方向は主として横方向であり、縦方向への補正の必要がないわけではないが横方向におけるほどに必要とされていないので、シリンドリカルレンズ単位胞の長手方向を縦に配置して使用される。   However, currently used microlens arrays still have serious drawbacks. A microlens array used for a projection display screen is a cylindrical lens array generally called a lenticular plate, and has a diffusion angle correction function only in one axial direction. The main application of the current rear projection display is a TV, which is often viewed by a large number of people, so the direction that requires diffusion angle correction is mainly the horizontal direction, but it is not without the need for correction in the vertical direction. Since it is not required as much as in the lateral direction, the longitudinal direction of the cylindrical lens unit cell is used vertically.

縦方向の出射角はシリンドリカルレンズアレイを構成する部材に屈折率の異なる微粒子を添加して散乱特性を与えることにより若干拡大し得ているだけであり、不十分ながらもこの状態で使用されているのが現状である。   The emission angle in the vertical direction can only be slightly expanded by adding fine particles with different refractive indexes to the members constituting the cylindrical lens array to give scattering characteristics. is the current situation.

この現状技術において、下記a、b及びcに示す3点の問題が存在する。   In this state of the art, there are three problems shown in the following a, b and c.

a縦視野角が狭い。散乱特性を与えることにより縦視野角を拡大しようとしているに
もかかわらず、視野角は散乱によってほとんど拡大させることができない。公共の
場におけるデータ表示に使用される多くの場合には観察者の目よりも高い位置にデ
ィスプレイが設置されることが多く、縦視野角が狭いことは重大な問題である。
aVertical viewing angle is narrow. Despite attempts to increase the vertical viewing angle by providing scattering properties, the viewing angle can hardly be increased by scattering. In many cases, which are used to display data in public places, the display is often placed higher than the observer's eyes, and the narrow vertical viewing angle is a serious problem.

b縦視野角拡大のために添加した微粒子による散乱がもたらす重大な副作用のひとつ
として、解像度の低下がある。現在のプロジェクションディスプレイの主要な用途
である大面積テレビにおいてはそれほど重大な問題とはなっていないが、今後高解
像度化が進んだ場合致命的な問題となる。
(b) One of the serious side effects caused by scattering by fine particles added for increasing the vertical viewing angle is a reduction in resolution. This is not a serious problem for large-area TVs, which are the main applications of current projection displays, but it will be a fatal problem if the resolution increases in the future.

c微粒子による散乱がもたらすもう一つの副作用として、スペックル(微小な輝点)
の発生がある。この現象は光学系のコヒーレント長よりも小さな散乱体が多数存在
することによるシンチレーションが原因となって起こる。
cAnother side effect of scattering by fine particles is speckle (fine luminescent spots).
Occurs. This phenomenon is caused by scintillation due to the presence of many scatterers that are smaller than the coherent length of the optical system.

これらの問題を回避するため、シリンドリカルレンズを交差させて2枚使用することも行われているが、この場合にも下記a、bに示す2点の問題が存在する。   In order to avoid these problems, two cylindrical lenses are crossed and used. However, in this case as well, there are two problems indicated by a and b below.

aシリンドリカルレンズアレイシートを2枚使用するためこの部分の製造コストは単
純に二倍以上となり経済性に劣る。
aSince two cylindrical lens array sheets are used, the manufacturing cost of this part is simply more than doubled, resulting in poor economic efficiency.

b空気と部材の界面が4箇所となり反射損失が増大し、さらに反射光が迷光となって
もたらす予期しない結像により表示品質が劣化する。反射防止膜の使用は製造コス
トを増大させる。
b The interface between the air and the member becomes four places, the reflection loss increases, and the display quality deteriorates due to unexpected imaging caused by the reflected light becoming stray light. The use of anti-reflection coatings increases manufacturing costs.

従って、リアプロジェクションディスプレイにおいて良好な表示品質を得るには、散乱体を一切添加しないことが必須であり、また、使用されるマイクロレンズアレイシートの枚数は1枚のみに押さえる必要がある。   Therefore, in order to obtain good display quality in the rear projection display, it is essential that no scatterers are added, and the number of microlens array sheets to be used must be limited to only one.

そのためには二軸方向に集光特性を有するマイクロレンズアレイが必要である。このようなマクロレンズアレイはシリンドリカルレンズではなく一般にフライアイレンズと呼ばれる微小な球面あるいは非球面のレンズが縦横に配列された構造を持たなくてはならず、またそれを構成するマイクロレンズ単位胞は設計上の出射光拡散特性が得られるようにその曲面形状が制御されたものでなくてはならない。望ましい曲面形状は多くの場合特定のパラメータによって表現された放物面、双曲面、あるいは縦横の曲率が異なったトーリック面である。   For this purpose, a microlens array having condensing characteristics in two axial directions is necessary. Such a macro lens array must have a structure in which minute spherical or aspherical lenses, generally called fly-eye lenses, are arranged vertically and horizontally instead of cylindrical lenses, and the microlens unit cell that constitutes them is The curved surface shape must be controlled so that the designed emission light diffusion characteristics can be obtained. Desirable curved surface shapes are often paraboloids, hyperboloids expressed by specific parameters, or toric surfaces with different vertical and horizontal curvatures.

しかし、これまでこのようなフライアイレンズによって構成されるマイクロレンズアレイシートを使用したプロジェクションディスプレイ用スクリーンは存在しなかった。成型のための型を製造することが極めて困難であったためである。   However, there has been no projection display screen using a microlens array sheet composed of such fly-eye lenses. This is because it was extremely difficult to produce a mold for molding.

シリンドリカルレンズアレイの場合、型を製造するためには一軸方向への加工のみで十分なので、金属母材表面に所望の断面形状を持った溝を旋盤を用いて切削加工することにより製作することが可能である。一旦母型の製造に成功すれば、あとはプレス、キャスティング、あるいは押し出し成形等でプラスチック部材を成形加工すればよい。   In the case of a cylindrical lens array, processing in one axis direction is sufficient for manufacturing a mold, so it is possible to manufacture by cutting a groove having a desired cross-sectional shape on the surface of a metal base material using a lathe. Is possible. Once the master mold has been successfully manufactured, the plastic member may be molded by pressing, casting, or extrusion.

ところがフライアイレンズの場合には、構造が二軸以上の方向に存在するため、旋盤による加工が不可能である。機械加工の手段がないわけではないが、たとえばエンドミルを使用して単位胞を一個ずつ切削した場合には膨大な時間を要することによるコストの増大以外に、単位胞中心部に加工の中心点が異常形状となって残留するという致命的な欠点が存在する。   However, in the case of a fly-eye lens, since the structure exists in two or more directions, it is impossible to process with a lathe. Although it is not without machining means, for example, if the unit cell is cut one by one using an end mill, the center point of processing is at the center of the unit cell in addition to the cost increase due to the time required. There is a fatal defect that it remains in an abnormal shape.

そこで機械加工を行わずにフライアイレンズを製作する方法がこれまでに開発されてきている。それらについて下記1〜4に示す。   Thus, a method for manufacturing a fly-eye lens without machining has been developed so far. They are shown in the following 1-4.

1 剛性微小球の配列
単位胞と同じ大きさの微小球を平面上に配列し、固定する。大面積対応は可能
であるが、単位胞サイズが小さくなった場合対応困難となる。また、配列操作
の問題から単位胞形状として球面以外のものを選択することが不可能、すなわ
ち、球以外のものを配列した場合に形状の方向性を揃えて配列することが不可
能なので設計上の自由度がなく望ましい画素光拡散特性を得ることができない
1 Array of rigid microspheres
Microspheres of the same size as the unit cell are arranged on a plane and fixed. Capable of handling large areas
However, when the unit cell size becomes small, it becomes difficult to cope with it. Array operation
Because of this problem, it is impossible to select a unit cell shape other than spherical, that is,
In other words, it is impossible to align the direction of the shape when something other than a sphere is arranged
The desired pixel light diffusion characteristics cannot be obtained.
.

2 液体表面張力による曲面形成
(1) リフロー法
フォトレジストを円柱形状にパターニングするかポリマー膜をレーザー加工で
円柱の配列を形成し、加熱して流動させることにより曲面を得る。
大面積対応は可能であるが、単位胞形状がレジストの流動によって決定される
ので設計上の自由度がなく望ましい画素光拡散特性を得ることができない。ま
た、ある円柱を構成するポリマーが軟化流動した際に隣接した円柱から流動し
てきたポリマーに接触した場合には表面張力により滑らかにつながり、形状が
歪んでしまう。
2 Curved surface formation by liquid surface tension (1) Reflow method
Pattern photoresist into a cylindrical shape or polymer film by laser processing
A cylindrical array is formed and heated to flow to obtain a curved surface.
Large area is possible, but unit cell shape is determined by resist flow
Therefore, there is no degree of freedom in design, and a desirable pixel light diffusion characteristic cannot be obtained. Ma
When a polymer composing a cylinder softens and flows, it flows from an adjacent cylinder.
When it comes into contact with polymer, it is connected smoothly due to surface tension, and the shape is
It will be distorted.

(2) インクジェット法
インクジェットプリンターによりポリマー溶液を出射して基板上に付着させ、
流動により曲面を得る。
利点及び難点は前項のリフロー法と同様である。
(2) Inkjet method
The polymer solution is ejected by an ink jet printer and adhered onto the substrate,
A curved surface is obtained by flow.
Advantages and disadvantages are the same as the reflow method in the previous section.

3 剛性平面の部分エッチング
ガラス等の透明剛性平板表面にこの透明剛性平板材料を溶解させる薬剤に侵さ
れない材料から成る薄膜を成膜し、フォトリソグラフィー等により微小な穴を
あけてその穴から透明剛性平板表面をエッチングする。
大面積対応は可能であるが、穴から開始したエッチングは等方的に進行するの
で単位胞形状は球面となり、設計上の自由度がなく望ましい出射光拡散特性を
得ることができない。
3 Partial etching of rigid plane
Attacked by chemicals that dissolve this transparent rigid plate material on the surface of transparent rigid plates such as glass
A thin film made of a material that cannot be
The transparent rigid flat plate surface is etched through the hole.
It is possible to deal with large areas, but etching starting from holes progress isotropically.
The unit cell shape is spherical, and there is no degree of freedom in design.
Can't get.

4 三次元リソグラフィー
(1) X線リソグラフィー
通常X線リソグラフィーはLIGA(LIthography−Galvan
ischversilbern−Abdruck)と呼ばれ、これまでもっぱ
らきわめて深く切り立った三次元パターンの作製に使用されていたが、曲面パ
ターン形成への適用が最近始まっている。
フライアイレンズの対称軸で切った断面形状から作製されたマスクをその対称
軸と直交しかつレジストを塗布した基板に平行な方向に摺動させながらX線を
照射することを各対称軸毎に行い、レジストを現像する。
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。すなわち、線源にはシンクロトロンを使用するので設備費
用がきわめて大きいうえに、線源に対して基板を精密に位置決めしてステッピ
ング露光を行うことの可能な設備は現状では存在しない。
4 Three-dimensional lithography (1) X-ray lithography
Usually, X-ray lithography is LIGA (LIthography-Galvan
Ischversilbern-Abduck)
Used to create 3D patterns that are very deep
Application to turn formation has begun recently.
A mask made from a cross-sectional shape cut along the symmetry axis of a fly-eye lens.
X-rays while sliding in a direction perpendicular to the axis and parallel to the resist-coated substrate
Irradiation is performed for each axis of symmetry, and the resist is developed.
Highly controlled unit cell curved surface shape can be created, but it can handle large areas.
It ’s difficult. In other words, since the synchrotron is used for the radiation source, the equipment cost
In addition to being extremely large, the substrate is precisely positioned with respect to the radiation source.
Currently, there is no equipment that can perform ring exposure.

(2) 電子線リソグラフィー
ア 直接法
電子線レジストを塗布した基板表面に電子線を走査しつつ照射する。
レンズアレイの深さ方向パターンに応じた線量を調節して吸収させ、レジスト
を現像した後にレジスト塗布面に垂直にバイアス電圧をかけた反応性イオンエ
ッチングにより基板をエッチングする。電子線レジストとの選択比で決まる倍
率だけ深さ方向の寸法が増幅されたレジストの三次元パターンが基板表面に転
写される。
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。すなわち、一般に吸収電子線量の変調は走査中の電子線の
ON−OFFを多数回の走査において行うことにより実現するが、基板面積が
大きくなれば走査にかかる時間が膨大なものとなり現実的な時間内での完了は
望み得ない。また、プロジェクションディスプレイのスクリーンと同様の規模
の面積に対して電子線を走査可能な設備は現状では存在しない。
(2) Electron beam lithography a Direct method
Irradiation is performed while scanning the electron beam onto the surface of the substrate coated with the electron beam resist.
Adjust the dose according to the pattern in the depth direction of the lens array and absorb the resist.
After developing the reactive ion energy, a bias voltage was applied perpendicularly to the resist coating surface.
Etch the substrate by etching. Double determined by selectivity with electron beam resist
The three-dimensional pattern of the resist whose depth dimension is amplified by
It is copied.
Highly controlled unit cell curved surface shape can be created, but it can handle large areas.
It ’s difficult. That is, in general, the absorbed electron dose is modulated by the electron beam being scanned.
Realized by performing ON-OFF in multiple scans, but the board area is
The larger the time, the more time it takes to scan, and the completion within a realistic time
I can't hope. Also, the same scale as the projection display screen
Currently, there is no facility capable of scanning an electron beam over a certain area.

イ 間接法
電子線を吸収する事によって着色するガラス基板の表面に電子線を走査しつつ
照射する。レンズアレイの深さ方向パターンに応じた線量を変調して吸収させ
、深さ方向パターンが着色量の濃淡に変換されたグレイスケールパターンを基
板に描く。これをフォトマスクとして着色範囲の波長の光りでフォトレジスト
を塗布した基板を露光し、現像することによりレジストの三次元パターンが基
板表面に形成される。
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。理由は上記直接法と同様である。
ただ、大面積のLCD用基板に微細パターンを形成するために使用されるステ
ッパーは最近ではプロジェクションディスプレイのスクリーンと同等規模の面
積の基板に使用可能なものも非常に高価ではあるが入手可能になってきており
、この方法で作製したフォトマスクをレティクルとしてステッピング露光を行
うことにより大面積基板への三次元リソグラフィーを実現できる可能性はある

しかしながら、この間接法には下記a、bに示す2点の問題が存在する。
Indirect method
While scanning an electron beam on the surface of a glass substrate that is colored by absorbing the electron beam
Irradiate. Modulate and absorb the dose according to the depth pattern of the lens array
Based on the gray scale pattern in which the depth pattern is converted to shades of color
Draw on a board. Use this as a photomask to create a photoresist with light in the wavelength range
The resist-coated substrate is exposed and developed to create a resist three-dimensional pattern.
It is formed on the plate surface.
Highly controlled unit cell curved surface shape can be created, but it can handle large areas.
It ’s difficult. The reason is the same as in the direct method.
However, the steps used to form a fine pattern on a large area LCD substrate.
The hopper is now almost the same size as the screen of a projection display
The ones that can be used for the product substrate are also very expensive but are becoming available
Stepping exposure is performed using a photomask manufactured by this method as a reticle.
There is a possibility that three-dimensional lithography on a large area substrate can be realized.
.
However, this indirect method has the following two problems shown in a and b.

a 露光時間が極めて長くなってしまう。
通常、TFT−LCD基板等の配線パターンを描くバイナリーパターニ
ングで使用されるレジストの厚みは0.5〜1μm、厚くても3μmを
越えることはないが、三次元リソグラフィーでは当然形成されるパター
ンの深さ以上のレジスト厚みが必要である。
形成されるパターンにもよるがリアプロジェクションディスプレイのス
クリーンに使用するマイクロレンズアレイの場合、最小でも30μm、
最大を考えると100μm程度は必要である。
バイナリーパターニングにおける露光時間は5〜30秒程度なので単純
に膜厚の倍率だけかかるとしても一回の露光に500〜3000秒かか
ることになるが、Lambert−Beerの法則により深い部位の光
量はその部位に届くまでに吸収される量だけ減衰しており、レジスト厚
みが増大すればするほど指数関数的に必要露光時間が増大する。
このような状況でステッピング露光を行った場合、最初のセクションの
露光を開始してから最後のセクションの露光を完了するまでにはきわめ
て長い時間を要することになる。たとえば一回の露光が1時間で完了す
るとしても、100mmのレティクルを使用して対角70インチワイド
画面を露光するためには144回の露光が必要なので144時間以上か
けて露光しなくてはならない。この間にレジストが変質してしまう可能
性がある。
a The exposure time becomes extremely long.
Binary pattern that usually draws wiring patterns on TFT-LCD substrates
The thickness of the resist used in the process is 0.5-1 μm, even 3 μm
Although it does not exceed, the pattern that is naturally formed in 3D lithography
The resist thickness must be greater than the depth of the resist.
Depending on the pattern to be formed, the rear projection display
In the case of a microlens array for clean use, a minimum of 30 μm,
Considering the maximum, about 100 μm is necessary.
The exposure time in binary patterning is about 5-30 seconds, so it is simple
Even if it takes only the film thickness magnification, it takes 500 to 3000 seconds for one exposure.
However, the light in the deep part by Lambert-Beer's law
The amount is attenuated by the amount absorbed before reaching the site, and the resist thickness
The required exposure time increases exponentially as the number increases.
When stepping exposure is performed in this situation, the first section
From the start of exposure until the last section exposure is complete
Will take a long time. For example, one exposure can be completed in one hour
Even so, using a 100mm reticle, the diagonal 70 inches wide
It takes 144 hours or more to expose the screen.
It must be exposed. The resist may change during this time
There is sex.

b ステッパーには焦点深度の問題が存在する。
ステッパー以外のマスク露光装置では露光されるレジスト膜付き基板に
対してフォトマスクを密着させるかあるいはプロキシミティと称して数
μmのギャップを挟んで近接させた上でフォトマスク側から平行光を照
射してマスクパターンの陰を基板表面のレジスト層に投影する。従って
、回折によるエッジの非鮮明化以外の解像度低下要因はない。
ステッパーの場合、複数回の露光で形成された各パターン相互の位置あ
わせ精度をあげるために可動部を必要最小減とするべく、基板ステージ
はX−Y方向にのみ動くようになっている。従って、ステッパーではそ
れ以外のマスク露光装置で使用される密着露光やプロキシミティ露光は
使用されない。基板ステージの動きとフォトマスクの位置が干渉するた
めである。
ステッパーでは、基板近傍にフォトマスクを配置することをせず、光学
系によってマスクパターンを基板表面に結像させる方式をとっている。
b Stepper has a problem of depth of focus.
In a mask exposure device other than a stepper,
The photomask is closely attached to the number or referred to as proximity
Parallel light is irradiated from the photomask side, with a micrometer gap in between.
The shadow of the mask pattern is projected onto the resist layer on the substrate surface. Therefore
There is no factor of resolution reduction other than the unsharpening of edges due to diffraction.
In the case of a stepper, the position of each pattern formed by multiple exposures
Substrate stage to reduce moving parts to the minimum necessary
Moves only in the XY direction. Therefore, the stepper
Contact exposure and proximity exposure used in other mask exposure systems
Not used. Because the movement of the substrate stage interferes with the position of the photomask
It is.
In steppers, optical masks are not placed near the substrate.
A system is used in which a mask pattern is imaged on the substrate surface by a system.

これにより、マスクパターンの描いてある基板(レティクルと呼ばれる
)は光学系を挟んで基板と反対側に置くことができるので基板の動きと
干渉することはない。
しかしそのために別の問題が発生する。結像させたパターンの解像度が
最小線幅以上に低下しないZ軸方向の有効距離が存在し、これは焦点深
度と呼ばれる。LCD基板用の大型ステッパーの場合焦点深度は最大で
も20μm程度でしかなく、これよりも深い形状の三次元リソグラフィ
ーは不可能である。
As a result, the substrate on which the mask pattern is drawn (called a reticle)
) Can be placed on the opposite side of the substrate with the optical system in between.
There is no interference.
However, this causes another problem. The resolution of the image pattern is
There is an effective distance in the Z-axis direction that does not decrease beyond the minimum line width.
Called degrees. The maximum depth of focus for large steppers for LCD substrates
3D lithography with a shape deeper than this
-Is impossible.

5.レーザーアブレージョン
径を細く絞り込んだレーザービームを物質表面に照射すると、その部分は非常
に高い密度のエネルギーを与えられて急激に蒸発して除去される。この技術は
切断やマーキングなどに広く利用されている。このレーザービームのエネルギ
ーを変調しつつ基板表面を走査することにより深さが変調された三次元パター
ンを作製することが可能である。基板サイズも2m程度の大きさまでなら容
易に対応可能である。
しかしながら、アブレージョンされた基板表面は一般に極めて凹凸の激しい荒
れた表面となり、平坦な表面を得ることができない。凹凸の周期は一定してい
ないが、かなり細かく制御しても可視光の波長よりも若干大きい程度までしか
小さくならない。マイクロレンズアレイの表面にそのような凹凸が存在した場
合には画像光の散乱が起こり、正常な拡散特性が得られない。
5). Laser ablation
When the surface of the material is irradiated with a narrowly narrowed laser beam, the area is very
Given a high density energy, it is rapidly evaporated and removed. This technology
Widely used for cutting and marking. The energy of this laser beam
3D pattern whose depth is modulated by scanning the substrate surface while modulating
Can be produced. Substrate size up to about 2m 2
It can be easily handled.
However, the ablated substrate surface is generally extremely rough and rough.
A flat surface cannot be obtained. The period of unevenness is constant
Although it is quite finely controlled, it is only slightly larger than the wavelength of visible light.
It will not get smaller. If such irregularities exist on the surface of the microlens array
In this case, scattering of image light occurs, and normal diffusion characteristics cannot be obtained.

以上述べたように、現状では、高度に制御されたフライアイレンズを作製する方法は存在してもリアプロジェクションディスプレイ用スクリーンのような大面積基板上に作製することができず、大面積基板に微細加工を行う手段は存在しても精密な形状の制御は不可能であったのが現状である。   As described above, at present, even if a method for producing a highly controlled fly-eye lens exists, it cannot be produced on a large area substrate such as a screen for a rear projection display. Even though there is a means for performing microfabrication, it is currently impossible to precisely control the shape.

本発明は、上述のような現状に鑑み、レーザーアブレーションにおける欠点である基板表面の粗面化を解決し、従来は不可能であった大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法を提供することを課題としている。   In view of the present situation as described above, the present invention solves the roughening of the substrate surface, which is a drawback in laser ablation, and has a curvature controlled with extremely high precision on a large-area substrate, which has been impossible in the past. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microlens array matrix that can be fabricated from a unit cell.

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。   The gist of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

多数のマイクロレンズアレイが設けられた光学部材を形成するための母型の製造方法であって、基板1上方にマスクパターンが形成されたフォトマスク2を配設し、該フォトマスク2を介してレーザービーム3を照射することで該基板1にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンを形成する際、前記レーザービーム3のスポットサイズを拡大してフォトマスク2を透過させた後、該レーザービーム3のスポットサイズを縮小して基板1表面に照射することにより、該基板表面の一部を蒸発させることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。   A method of manufacturing a master for forming an optical member provided with a large number of microlens arrays, wherein a photomask 2 having a mask pattern formed thereon is disposed above a substrate 1 and the photomask 2 is interposed therebetween. When a desired three-dimensional pattern corresponding to the mask pattern is formed on the substrate 1 by irradiating the laser beam 3, the spot size of the laser beam 3 is enlarged and transmitted through the photomask 2, and then the laser beam 3 is directed to a method for manufacturing a matrix for a microlens array, wherein a part of the surface of the substrate is evaporated by reducing the size of the spot 3 and irradiating the surface of the substrate 1.

また、請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク2として二値マスクが採用されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。   The method for manufacturing a microlens array matrix according to claim 1, wherein a binary mask is employed as the photomask 2.

また、請求項2記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、二値マスクを複数使用し、これら複数の二値マスクは、異なるマスクパターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。   3. The microlens array matrix according to claim 2, wherein a plurality of binary masks are used, and the plurality of binary masks have different mask patterns. This relates to the manufacturing method.

また、請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク2として遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは金属製で、その厚みを変化させることで前記透過率の階調が形成されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。   Further, in the method for manufacturing a microlens array matrix according to claim 1, a gradation mask having a gradation of transmittance at the light shielding portion is employed as the photomask 2, and the gradation mask is made of metal, The present invention relates to a method for manufacturing a matrix for a microlens array, wherein the transmittance gradation is formed by changing the thickness.

また、請求項4記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、階調マスクを下記(1)の工程,(2)の工程,(3)の工程及び(4)の工程を順に行うことにより作製したことを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。

(1)の工程:基板に設けた金属膜の表面に電子線レジストを塗布する工程。
(2)の工程:電子線の線量を変調させて走査することにより、電子線レジスト表面に
該電子線を照射する工程。
(3)の工程:現像して電子線が閾値以上の線量照射された部分を除去して厚み階調を
もった電子線レジスト層を形成する工程。
(4)の工程:反応性イオンエッチングにより、厚みに階調がつけられた電子線レジス
ト層を削り取り、該電子線レジスト層の厚み階調を金属膜に転写する工
程。
Further, in the method for manufacturing a microlens array matrix according to claim 4, the following steps (1), (2), (3), and (4) are sequentially performed on the gradation mask. The present invention relates to a method for manufacturing a matrix for a microlens array, which is manufactured by the method described above.
Step (1): A step of applying an electron beam resist to the surface of the metal film provided on the substrate.
Step (2): The electron beam resist surface is scanned by modulating the electron beam dose.
Irradiating the electron beam;
Step (3): develop and remove a portion irradiated with a dose of electron beam exceeding the threshold value to obtain a thickness gradation
Forming an electron beam resist layer.
Step (4): Electron beam resist with gradation added by reactive ion etching
A process for removing the thickness layer and transferring the thickness gradation of the electron beam resist layer to a metal film.
About.

また、請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク2として遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは、電子線を吸収して特定波長を含む光の透過率が変化する層を有し、吸収した電子線量と前記特定波長を含む光の透過率が1対1に対応する範囲が存在するガラスに、電子線を線量変調して照射し露光光透過率に階調をもたせることによって作製することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。   2. The method for manufacturing a matrix for a microlens array according to claim 1, wherein a gradation mask having a gradation of transmittance at the light shielding portion is employed as the photomask 2, and the gradation mask absorbs an electron beam. The electron beam is applied to a glass having a layer in which the transmittance of light including a specific wavelength changes, and there is a range in which the absorbed electron dose and the transmittance of light including the specific wavelength correspond to one to one. The present invention relates to a method of manufacturing a mother die for a microlens array, which is manufactured by modulating and irradiating to give gradation to exposure light transmittance.

また、請求項3〜6のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型の交線のうち最も長い交線を、下記式(1)で表される長さに分割した点を通る主平面に平行な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型表面が交差して形成される図形を階調のパターンとして使用することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
Cs/(g−1)×(δ+1) 式(1)
但し、Cs:マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズ
アレイ用母型表面の最も長い交線の長さ
g:階調数
δ:−0.2から0.2までの数
とする。
The method for manufacturing a microlens array matrix according to any one of claims 3 to 6, wherein a plane perpendicular to the main plane of the microlens array matrix and the microlens array matrix are intersected. A figure formed by intersecting a plane parallel to the main plane passing through a point obtained by dividing the longest intersection of the lines into a length represented by the following formula (1) and the matrix surface for the microlens array Is used as a gradation pattern, and the present invention relates to a method for manufacturing a matrix for a microlens array.
Cs / (g−1) × (δ + 1) Formula (1)
Where Cs: a plane perpendicular to the main plane of the matrix for the microlens array, and the microlens
The length of the longest line of intersection on the matrix surface for the array
g: Number of gradations
δ: A number from −0.2 to 0.2.

本発明は上述のように構成したから、大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法となる。   Since the present invention is configured as described above, there is provided a microlens array matrix that enables fabrication of a microlens array matrix composed of unit cells having a curvature controlled with extremely high precision on a large-area substrate. It becomes a manufacturing method.

好適と考える本発明の実施の形態を、図面に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。   An embodiment of the present invention considered to be suitable will be briefly described with reference to the drawings, showing its effects.

基板1上方に、マスクパターンが形成されたフォトマスク2を配設し、このフォトマスク2を介して基板1上にレーザービーム3を照射し、このフォトマスク2のマスクパターンを反映したレーザービーム3により基板1表面を任意の形状に加工する。   A photomask 2 on which a mask pattern is formed is disposed above the substrate 1, and a laser beam 3 is irradiated onto the substrate 1 through the photomask 2, and the laser beam 3 reflecting the mask pattern of the photomask 2. Thus, the surface of the substrate 1 is processed into an arbitrary shape.

この際、レーザービーム3のビームスポットを拡縮することでこのレーザービーム3の有するエネルギー密度を制御してフォトマスク2及び基板1に過度のエネルギーを与えることなく、このフォトマスク2のマスクパターンを反映したレーザービーム3により基板1表面を加工することができ、よって、従来は不可能であった大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法となる。   At this time, the energy density of the laser beam 3 is controlled by expanding and contracting the beam spot of the laser beam 3 to reflect the mask pattern of the photomask 2 without applying excessive energy to the photomask 2 and the substrate 1. The surface of the substrate 1 can be processed by the laser beam 3 thus made, and thus a matrix for a microlens array comprising unit cells having a curvature controlled with extremely high precision on a large area substrate, which has been impossible in the past. This is a method for manufacturing a matrix for a microlens array that enables fabrication of a microlens array.

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。   Specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施例は、フォトマスク2を通過したレーザービーム3を基板1表面に照射することにより、レーザーアブレージョンによって平滑な曲面を作製する方法である。   This embodiment is a method for producing a smooth curved surface by laser abrasion by irradiating the surface of the substrate 1 with a laser beam 3 that has passed through a photomask 2.

レーザービーム3による基板1表面の加工は、市販のレーザー加工機により行う。具体的には、このレーザー加工機は、レーザービーム3を発生するレーザー発振器4,レーザービーム3の径を拡大する光学系5,任意のマスクパターンが形成されたフォトマスク2,このフォトマスク2が設けられるマスクホルダー,フォトマスク2を位置決めするマスク位置決め機構及びフォトマスク2を通過したレーザービーム3の径を縮小して加工対象である基板1表面に投影するための光学系6が設けられているものである。   Processing of the surface of the substrate 1 with the laser beam 3 is performed by a commercially available laser processing machine. Specifically, this laser processing machine includes a laser oscillator 4 that generates a laser beam 3, an optical system that expands the diameter of the laser beam 3, a photomask 2 on which an arbitrary mask pattern is formed, and the photomask 2 A mask holder provided, a mask positioning mechanism for positioning the photomask 2, and an optical system 6 for reducing the diameter of the laser beam 3 that has passed through the photomask 2 and projecting it onto the surface of the substrate 1 to be processed are provided. Is.

光源レーザーは、要求される解像度、加工される基板の材質及びフォトマスク2の材質に応じて適宜選択される。より高い解像度が要求される場合には、波長の短い出力光を得られる光源を使用することが好ましい。従って、本実施例に適用されるレーザー光源としては、Nd:YAGの高調波やエキシマレーザーが適当である。   The light source laser is appropriately selected according to the required resolution, the material of the substrate to be processed, and the material of the photomask 2. When higher resolution is required, it is preferable to use a light source capable of obtaining output light with a short wavelength. Accordingly, Nd: YAG harmonics and excimer lasers are suitable for the laser light source applied to this embodiment.

レーザーアブレージョンとは、特定波長のレーザー光を照射された基板表面において、その基板を構成する材料中の化学結合が光を吸収することにより切断され、分子量の小さなセグメントとなって蒸発する現象である。従って、加工を行うためには基板材料が吸収する波長のレーザー光源を使用する必要がある。一般的には、このような微細加工に使用されるほとんどの材料、例えば、ガラス、セラミックス、あるいはプラスチックなどは紫外域に吸収を有するので、それらのいずれかの材料に対して紫外線レーザーを使用することになる。   Laser ablation is a phenomenon in which a chemical bond in the material constituting the substrate is cut by absorbing light on the surface of the substrate irradiated with laser light of a specific wavelength, and evaporated as a segment with a small molecular weight. . Therefore, in order to perform processing, it is necessary to use a laser light source having a wavelength that is absorbed by the substrate material. In general, most materials used for such microfabrication, such as glass, ceramics, or plastics, have absorption in the ultraviolet region, so an ultraviolet laser is used for any of those materials. It will be.

フォトマスク2の材料も波長との関係を考慮する必要がある。すなわち、フォトマスク2は加工のために使用する光を選択的に遮蔽して基板1表面に選択的に光を到達させるための部品であり、そのためにレーザー光源からの光を完全に吸収する部分と透過する部分が一枚のマスク内に配置されている。   The material of the photomask 2 also needs to consider the relationship with the wavelength. That is, the photomask 2 is a part for selectively shielding the light used for processing and allowing the light to selectively reach the surface of the substrate 1, and for this purpose, a portion that completely absorbs the light from the laser light source. The transparent part is arranged in one mask.

光源のビームスポットサイズは特に問わないが、全加工時間は下記式(2)で表されるので、露光領域数、すなわち分割数が小さい方が加工時間を短くすることができる。従って、加工される基板の表面におけるビームスポットサイズは大きくした方が良い。   Although the beam spot size of the light source is not particularly limited, since the total processing time is expressed by the following formula (2), the processing time can be shortened when the number of exposure areas, that is, the number of divisions is small. Therefore, it is better to increase the beam spot size on the surface of the substrate to be processed.

×g×d+α 式(2)
但し、tは一回の露光時間、gは階調数、dは露光領域数、αは露光処理以外の動作(主に露光領域間移動)にかかる時間とする。
t 0 × g × d + α Formula (2)
However, t 0 is a single exposure time, g is the number of gradations, d is the number of exposure areas, and α is a time required for operations other than the exposure process (mainly movement between exposure areas).

望ましい投入エネルギー密度は、加工される基板の表面において0.1J/cm以上、10J/cm以下が適切である、投入エネルギー密度が0.1J/cmよりも低い場合にはアブレージョンの速度が小さすぎて加工時間が長くかかりすぎ、10J/cmよりも高い場合には通常行われるビーム走査によるアブレージョンの場合と同様に表面の荒れが著しくなって光学用途に使用できるような平滑な表面にならない。 Desired input energy density at the surface of the substrate to be processed 0.1 J / cm 2 or more, 10J / cm 2 or less is appropriate, the rate of abrasion when the input energy density is lower than 0.1 J / cm 2 Is too small and takes a long time, and if it is higher than 10 J / cm 2 , the surface becomes so rough that it can be used for optical applications as in the case of abrasion by beam scanning that is usually performed. do not become.

また、基板材料がプラスチックのように蒸発させやすい材料の場合には比較的低いエネルギー密度に、ガラスやセラミックス材料のように蒸発させにくい材料の場合には比較的高いエネルギー密度に設定するのが好ましい。   In addition, it is preferable to set the substrate material to a relatively low energy density when the material is easy to evaporate such as plastic, and to a relatively high energy density when the substrate material is difficult to evaporate such as glass or ceramic material. .

フォトマスク基板に使用される材料はガラスが最も一般的であり、従って、基板表面に照射されるレーザービーム3をそのままフォトマスクに照射した場合、フォトマスク自体がアブレージョンしてマスクの役割を果たすことができなくなってしまう。   The most common material used for the photomask substrate is glass. Therefore, when the photomask is directly irradiated with the laser beam 3 applied to the substrate surface, the photomask itself is ablated and acts as a mask. Will not be able to.

従って、エネルギー密度を下げるために光源から出射したレーザービーム3は一旦光学系5により断面積を拡大してフォトマスク2を通過させた後再び今度は別の光学系6により断面積を縮小してから基板1表面を照射する必要がある。ビーム断面積の拡大倍率は基板1表面のエネルギー密度によって異なるが一般に基板表面での断面積の2倍から100倍の間とすることが好ましい。2倍より小さい場合にはフォトマスク2に加わるエネルギー密度が高すぎてフォトマスク2がアブレージョンを起こさないまでも温度が上がりすぎて不都合をもたらし、100倍よりも大きい場合にはフォトマスク2の必要面積が大きくなって階調数が不足するなどの不都合が起こる。また、光源から出射した拡大前のビームスポットサイズと基板表面を照射するときのビームスポットサイズが同一である必要はない。   Accordingly, in order to reduce the energy density, the laser beam 3 emitted from the light source is once enlarged in cross-sectional area by the optical system 5 and passed through the photomask 2, and then again reduced in cross-sectional area by another optical system 6. It is necessary to irradiate the surface of the substrate 1. The magnification of the beam cross-sectional area varies depending on the energy density on the surface of the substrate 1, but is generally preferably between 2 and 100 times the cross-sectional area on the substrate surface. If it is less than 2 times, the energy density applied to the photomask 2 is too high and the temperature rises too much even if the photomask 2 does not cause abrasion, and if it is more than 100 times, the photomask 2 is necessary. Inconveniences such as a large area and insufficient number of gradations occur. In addition, the beam spot size before expansion emitted from the light source and the beam spot size when irradiating the substrate surface need not be the same.

露光単位面、すなわち、ビーム断面あるいはフォトマスク有効領域は、広い面積の基板面をすべて過不足なく露光しなくてはならないので、重ねることなく全面を埋め尽くすことのできる形状を有していることが必要である。そのような形状としては、正方形、長方形、菱形、平行四辺形、対称軸を二本以上有する六角形等の比較的単純な図形から図2(A),(B)に示す複雑な形状まで種々のものを使用することができる。   The exposure unit surface, that is, the beam cross-section or photomask effective area must be exposed without excessive or deficient, so that the entire surface can be filled without overlapping. is required. Such shapes vary from relatively simple figures such as squares, rectangles, rhombuses, parallelograms, hexagons having two or more symmetry axes to complex shapes shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). Can be used.

フォトマスク2に描かれるマスクパターンは作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの配列を所定の高さにおいてその主平面に平行な平面で切った断面を反映したものとするが、必ずしもその断面形状に一致したものではない。遮光領域は対応する断面によって決定されるものよりも狭くあるいは広く取る。マスクパターン形状はそのマスクパターンによって成形されたレーザービーム3によって削り取られた基板1表面の部分の形状が作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの同等となるように決定される。   The mask pattern drawn on the photomask 2 reflects a cross section obtained by cutting the arrangement of the curved surface pattern of the matrix for microlens array to be produced at a predetermined height by a plane parallel to the main plane. It does not match the shape. The light shielding area is narrower or wider than that determined by the corresponding cross section. The shape of the mask pattern is determined so that the shape of the portion of the surface of the substrate 1 scraped by the laser beam 3 formed by the mask pattern is equivalent to the curved surface pattern of the matrix for microlens array to be produced.

作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの配列をその主平面に平行な平面で切る高さは、その曲面パターンを近似した階段状パターンの階段数(階調数)に依存する。   The height of the array of curved surface patterns of the microlens array master block to be produced by a plane parallel to the main plane depends on the number of steps (the number of gradations) of the stepped pattern approximating the curved surface pattern.

階調数はアブレージョンの際に形成される階段状パターンのエッジの形状と段差の大きさの関係を踏まえ、使用される条件下で不都合の生じない限りにおいて少なく取ることが好ましい。階調数はマスク数に等しいので階調数が増えることは多数のマスクを作製しなくてはならないことを意味し、更に、ひとつの露光領域を照射する回数が増えることをも意味する。即ち、階調数の増大はマスク作製コストの増大とプロセス時間の延長をもたらす。   In consideration of the relationship between the shape of the edge of the staircase pattern formed during abrasion and the size of the step, the number of gradations is preferably reduced as long as no inconvenience occurs under the conditions used. Since the number of gradations is equal to the number of masks, an increase in the number of gradations means that a large number of masks must be produced, and further, the number of times of irradiation of one exposure region also increases. That is, an increase in the number of gradations results in an increase in mask manufacturing cost and an increase in process time.

即ち、レーザービーム3が照射された基板表面において、ビームの縁の部分はアブレージョンされて蒸発する部分としない部分の境界となるが、その境界部はそのときの波長、投入電力、パルス幅、基板材料の種類などによって決まる特定の形状をなす。   That is, on the substrate surface irradiated with the laser beam 3, the edge portion of the beam becomes a boundary between the portion that is ablated and evaporates and the portion that does not evaporate, and the boundary portion is the wavelength, input power, pulse width, substrate at that time It has a specific shape that depends on the type of material.

例えば、温度上昇がさほど大きくない場合には切り立った階段状を示すが、大きい場合には角が熔融状態になって丸みを帯び、甚だしい場合にはなだらかな斜面となる。温度上昇が大きい場合に見られるこのようなスムージング現象は少ない階調数、すなわちマスク数で滑らかな曲面が作製可能になるというメリットをもたらす。   For example, when the temperature rise is not so large, a steep step shape is shown, but when the temperature rises, the corner is melted and rounded, and when it is severe, it becomes a gentle slope. Such a smoothing phenomenon seen when the temperature rise is large brings about an advantage that a smooth curved surface can be produced with a small number of gradations, that is, the number of masks.

しかしながら、このようなスムージング効果が大きすぎた場合には作製された曲面形状の設計からのずれが大きくなってしまうという不都合をもたらす。従って、スムージング効果によるマスク数の削減のメリットと設計からのずれのデメリットのバランスを考慮してマスク数とレーザービーム照射条件を決定する必要がある。   However, when such a smoothing effect is too great, there arises a disadvantage that a deviation from the design of the produced curved surface shape becomes large. Therefore, it is necessary to determine the number of masks and the laser beam irradiation conditions in consideration of the balance between the advantages of reducing the number of masks due to the smoothing effect and the disadvantages of deviation from the design.

また、作製された曲面形状の設計に対するずれを極めて小さい範囲に収める必要がある場合には、温度上昇によるスムージング効果を期待できないので完成した形状は滑らかな曲面ではなく階段状の側面で構成されたものになる。このような構造において段差構造がもたらす散乱や回折の効果が甚だしく問題となる場合には、あとで熱処理することにより段差部を熔融させたりコーティングによって段差部に塗料を埋めたりして平滑化処理を施すことによりその様な不都合を軽減させることができる。   In addition, when it is necessary to keep the deviation from the design of the created curved surface shape within a very small range, since the smoothing effect due to temperature rise cannot be expected, the completed shape was composed of stepped side surfaces instead of smooth curved surfaces Become a thing. In such a structure, if the effect of scattering or diffraction caused by the step structure becomes a serious problem, a smoothing process is performed by melting the step portion by heat treatment later or filling the step portion with a coating. Such inconvenience can be reduced by applying.

以上を考慮して階調数を決定し、各階調における遮光パターンを各断面の形状とそのときに使用するアブレージョンプロセスの性格、主として温度上昇からのスムージング効果を考慮して決定する。   The number of gradations is determined in consideration of the above, and the light shielding pattern in each gradation is determined in consideration of the shape of each cross section and the nature of the abrasion process used at that time, mainly the smoothing effect from the temperature rise.

このような階調のついたフォトマスク2を使用して、以下に述べるような手順で基板表面における露光量を調節しつつアブレージョンを起こす。全階調を一回の露光で実現する手法と各階調を別々のマスクに描き少なくともそれぞれのマスクを一回ずつ使用して少なくとも階調数の回数を重畳する手法とがあり、どちらを使用しても良い。   Using the photomask 2 having such a gradation, abrasion is caused while adjusting the exposure amount on the substrate surface in the following procedure. There are two methods, one is to achieve all gradations with a single exposure, and the other is to draw each gradation on a separate mask and use each mask at least once to superimpose at least the number of gradations. May be.

全階調を一回の露光で実現するには、各階調を一枚に描いたフォトマスク2を使用する。このようなフォトマスク2は、金属膜の厚みを制御するか、特殊なフォトクロミックガラスの着色量を制御する方法によって作製することができる。   In order to realize all gradations by one exposure, a photomask 2 in which each gradation is drawn on one sheet is used. Such a photomask 2 can be manufactured by a method of controlling the thickness of the metal film or the amount of coloring of special photochromic glass.

金属膜の厚み制御は下記のようにして行う。まず、ガラスなどの露光光を透過する材料を基板とし、これにCrなどの金属膜をスパッタリングなどで成膜する。その上に電子線レジストを成膜(塗布)し、これに電子線の線量を変調しながら走査することにより、電子線レジスト表面全体に照射する。変調のパターンは金属膜の厚みパターンに対応したものとする。これを現像して電子線が所定量以上照射された部分を除去することにより目標とするマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンに対応した階段状のレジストパターン(厚み階調)となる。このレジスト表面から該マイクロレンズアレイ用母型に垂直な方向にRIE(Reactive Ion Etching)によって電子線レジストと金属膜を一括してエッチングすることで、電子線レジスト層の厚み階調をCrなどの金属膜の厚み階調に転写する。   The thickness control of the metal film is performed as follows. First, a material that transmits exposure light such as glass is used as a substrate, and a metal film such as Cr is formed thereon by sputtering or the like. An electron beam resist is formed (coated) thereon and scanned while modulating the electron beam dose to irradiate the entire surface of the electron beam resist. The modulation pattern corresponds to the thickness pattern of the metal film. By developing this and removing a portion irradiated with a predetermined amount or more of the electron beam, a stepwise resist pattern (thickness gradation) corresponding to the target curved surface pattern of the microlens array matrix is obtained. By etching the electron beam resist and the metal film together by RIE (Reactive Ion Etching) from the resist surface in a direction perpendicular to the matrix for the microlens array, the thickness gradation of the electron beam resist layer can be changed to Cr or the like. Transfer to the thickness gradation of the metal film.

即ち、表面に現像済みのレリーフを有した電子線レジスト膜を設けたCr膜付き基板を真空槽中に置き、作製するマイクロレンズアレイ用母型の主平面に平行な二枚の平板電極で基板を挟んで排気減圧した後、不活性ガスと反応性ガスを導入しながらこれら電極間に直流電圧あるいは直流バイアスつきでRF(Radio Frequency;ラジオ波領域の高周波。10〜100MHz)をかける。   That is, a substrate with a Cr film provided with an electron beam resist film having a developed relief on the surface is placed in a vacuum chamber, and the substrate is formed by two flat plate electrodes parallel to the main plane of the mother mold for the microlens array to be manufactured. After depressurizing the exhaust gas between the electrodes, RF (Radio Frequency; high frequency in the radio wave region; 10 to 100 MHz) is applied between these electrodes with a DC voltage or a DC bias while introducing an inert gas and a reactive gas.

不活性ガスは真空槽内で発生させるプラズマを安定させるために導入する。基本的に真空槽内壁やその他の部材と反応しない方が良いので通常Ar,Xe等の希元素を使用する。反応性ガスには電子線レジストと金属の夫々に対して適切な反応性を持つガスを使用する。電子線レジストは通常有機高分子を主成分とするので、電子線レジストに対する反応性を高く、即ち、電子線レジストのエッチング速度を大きくする場合には酸素を含むガスを、多くの場合酸素そのものを導入する。逆に金属膜のエッチング速度を大きくする場合にはハロゲンを含むガスを導入する。このようなガスにはテトラフロロメタン、トリフロロメタン、テトラクロロメタン、トリクロロメタン等が挙げられる。尚、これらのガスは単独で用いることも混合して用いることもできる。   An inert gas is introduced to stabilize the plasma generated in the vacuum chamber. Basically, rare elements such as Ar and Xe are used because it is better not to react with the inner wall of the vacuum chamber or other members. As the reactive gas, a gas having appropriate reactivity with the electron beam resist and the metal is used. Since electron beam resists are usually composed mainly of organic polymers, they are highly reactive to electron beam resists, that is, when increasing the etching rate of electron beam resists, oxygen-containing gas is used, and in many cases oxygen itself is used. Introduce. Conversely, when increasing the etching rate of the metal film, a gas containing halogen is introduced. Such gases include tetrafluoromethane, trifluoromethane, tetrachloromethane, trichloromethane, and the like. These gases can be used alone or in combination.

適切なガス組成と圧力、放電電圧、バイアス電圧等を選択することにより微細な曲面形状を有した電子線レジスト表面からその組成のガスが電離して生成したイオンにより反応性および非反応性のエッチングによりその表面形状を維持しながら厚みが減少していき、最も電子線レジスト厚みの小さな部分から金属膜表面が露出し、次に金属膜がエッチングされる。金属のエッチング速度の方が大きいガス組成が使用された場合には金属膜表面の凹凸は電子線レジスト表面の凹凸よりも急峻になり、逆の場合はその逆の結果となる。   Reactive and non-reactive etching by ions generated by ionizing the gas from the electron beam resist surface having a fine curved surface by selecting appropriate gas composition and pressure, discharge voltage, bias voltage, etc. Thus, the thickness decreases while maintaining the surface shape, the surface of the metal film is exposed from the portion having the smallest electron beam resist thickness, and then the metal film is etched. When a gas composition having a higher metal etching rate is used, the unevenness on the surface of the metal film becomes steeper than the unevenness on the surface of the electron beam resist, and vice versa.

以上のようにして作製された階調マスク表面には反射防止膜を設けることができる。マスク表面の反射防止膜は迷光による悪影響を回避する機能を有するが反射光が戻らないような光学設計を行えば、必ずしも必要ではない。   An antireflection film can be provided on the surface of the gradation mask manufactured as described above. The antireflection film on the mask surface has a function of avoiding adverse effects due to stray light, but is not necessarily required if an optical design is made so that the reflected light does not return.

着色量を制御した特殊なフォトクロミックガラスを使用したフォトマスク2は次のようにして作製される。このガラスはHEBS(High Energy Beam Sensitive)ガラスと呼ばれ、電子線により幅広い帯域において着色を起こすガラスであり、Canyon Materials,Inc.より販売されている。このガラスに、前記の金属階調マスクを作製する場合と同様に電子線を変調しながら走査して階調パターンを描くことにより作製可能である。   The photomask 2 using a special photochromic glass in which the coloring amount is controlled is manufactured as follows. This glass is called HEBS (High Energy Beam Sensitive) glass, and is a glass that causes coloration in a wide band by an electron beam, and can be obtained from Canon Materials, Inc. More are sold. It can be produced by scanning the glass while scanning the electron beam while modulating the electron beam in the same manner as in the case of producing the metal gradation mask.

各階調を別々のマスクに描き、少なくとも夫々のマスクを一回ずつ使用して少なくとも階調数の回数を重畳する手法において使用される階調マスクは各階調を表現するマスクそのものは二値なので一般的なフォトマスクの作製法により作製することができる。   Each gradation is drawn on a separate mask, and the gradation mask used in the method of superimposing at least the number of gradations by using each mask at least once is generally a binary mask that expresses each gradation. It can be manufactured by a typical photomask manufacturing method.

いうまでもなくこの場合に使用されるフォトマスク2は、一般的な薄膜パターニングにおいて使用される二値マスクであり、各階調に対応した複数の二値マスク相互の位置関係を可能な限り正確に制御する必要がある。位置決め精度の問題は後述する露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め精度の問題も含め、本実施例においては常に重要な要因であるが、この場合の各階調相互間の位置決め精度の方が露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め精度に比べて要求水準が高い。露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め誤差が後の工程で修正可能であるのに対し、単一露光領域内での階調間位置決め誤差は直接作製しようとする曲面の形状精度に影響するからである。階調間位置決め誤差の許容量は作製するマイクロレンズアレイ単位胞のサイズによって決まり、単位胞サイズの1%以内、具体的には0.1%以内とするのが好ましい。   Needless to say, the photomask 2 used in this case is a binary mask used in general thin film patterning, and the positional relationship between a plurality of binary masks corresponding to each gradation is as accurate as possible. Need to control. The problem of positioning accuracy is always a more important factor in this embodiment, including the problem of positioning accuracy between exposure areas, which will be described later. The required level is higher than the joint positioning accuracy. This is because the alignment error between exposure areas can be corrected in a later process, while the positioning error between gradations within a single exposure area directly affects the shape accuracy of the curved surface to be produced. . An allowable amount of positioning error between gradations is determined by the size of the microlens array unit cell to be manufactured, and is preferably within 1% of the unit cell size, specifically within 0.1%.

また、各階調毎にフォトマスク2を使用して一回ずつアブレージョンした方が一回で全階調をアブレージョンする方法に比べ深い形状を作製しやすい。作製可能な曲面パターンの深さは全階調が一枚のマスクブランクスに描いてあるフォトマスク2の場合、透過率のダイナミックレンジと使用されるレーザー発信器の出力によってその限界が決定されるが、各階調毎にアブレージョンを行う場合には作製可能な深さに制限はない。もちろんパターンが深くなればレーザービーム3の照射回数が多くなるので作製にかかる時間は長くなる。   Further, it is easier to produce a deeper shape by ablating once using the photomask 2 for each gradation, compared to a method of ablating all gradations once. In the case of the photomask 2 in which all gradations are drawn on one mask blank, the limit of the depth of the curved surface pattern that can be produced is determined by the dynamic range of the transmittance and the output of the laser transmitter used. In the case of performing abrasion for each gradation, there is no limit to the depth that can be produced. Of course, if the pattern becomes deeper, the number of times of irradiation with the laser beam 3 increases, so that the time required for production becomes longer.

本実施例の重要な一部として各階調における明るさの決め方がある。   As an important part of the present embodiment, there is a method of determining brightness at each gradation.

一般的には、ある範囲内で階調表示を行う場合、最も暗いレベルと最も明るいレベルの間を明るさにおいて等間隔に分割し、夫々のレベルを各階調のレベルとする。この関係は一般的には下記式(3)で表される。肉眼で見られる用途、即ち、印刷物などのような視覚への忠実度を重視する用途においてはこれにガンマ補正、即ち、視覚特性の補正、多くの場合S字曲線状のバイアスがかけれらる。   Generally, when gradation display is performed within a certain range, the darkest level and the brightest level are divided at equal intervals in brightness, and each level is set as the level of each gradation. This relationship is generally expressed by the following formula (3). In applications that are seen with the naked eye, i.e., applications that place importance on visual fidelity such as printed matter, gamma correction, i.e., correction of visual characteristics, and in many cases, bias in the shape of an S-curve.

+(L−L)/(gl−1) 式(3)
但し、Lは最低レベルの輝度、Lは最高レベルの輝度、glは階調数とする。
L 0 + (L h -L 0 ) / (gl-1) (3)
However, L 0 is the lowest level of luminance, L h is the highest level of luminance, and gl is the number of gradations.

しかしながら、アブレージョンによって曲面を作製する際にこの方法で階調分割を行った場合、図3に示すように接線と主平面のなす角が小さい部分での解像度が低下する。逆に、この角度が大きい領域においては場合によっては見かけ上分解能以上の解像度で加工することになり、事実上不可能である。   However, when gradation division is performed by this method when creating a curved surface by abrasion, the resolution at a portion where the angle between the tangent line and the main plane is small as shown in FIG. 3 decreases. On the contrary, in a region where this angle is large, processing is performed with a resolution higher than the apparent resolution depending on circumstances, which is practically impossible.

従って、本実施例においては、使用する階調マスクの階調分割を図4に示すように、作製されるマイクロレンズアレイ用母型の主平面と該マイクロレンズアレイ用母型との交線の中で長さが最長となる交線をおおよそ階調数−1等分した点で行うことにした。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the gradation division of the gradation mask to be used is the intersection of the main plane of the microlens array master block to be produced and the microlens array master block. It was decided that the intersection line having the longest length was divided into approximately the number of gradations minus one.

ただ、この分割点は必ずしも等分点である必要はなく、だいたい等分点付近であればよい。従って、等分点から20%前後する長さの範囲内とした。   However, this dividing point does not necessarily have to be an equal dividing point, and may be almost in the vicinity of the dividing point. Therefore, the length is within the range of about 20% from the equivalence point.

以上のように、曲面の形状を基準に階調分割点を決定することにより、全階調において解像度を均一化できるので作製された曲面パターンへの設計への忠実性が向上する。   As described above, by determining the gradation dividing point based on the shape of the curved surface, the resolution can be made uniform at all gradations, so that the fidelity to the design of the produced curved surface pattern is improved.

本実施例においては、上述したような3種類のフォトマスク2のいずれも用いることができる。全階調を一枚のフォトマスク2に描いたフォトマスク2を使用した場合には、それらのフォトマスク2を介して少なくとも一回レーザービーム3を基板1表面に照射した後、次の露光領域に対し同様の露光工程を実施する。各階調に対応した別々のフォトマスク2を使用する場合には、基板1表面の同一露光領域に対してフォトマスク2を特定の位置関係に保持して露光する工程を少なくともマスク数、即ち、階調数回実施した後に次の露光領域に移る。   In this embodiment, any of the three types of photomasks 2 as described above can be used. When a photomask 2 in which all gradations are drawn on one photomask 2 is used, the surface of the substrate 1 is irradiated at least once through the photomask 2 and then the next exposure region. The same exposure process is performed on the above. When separate photomasks 2 corresponding to the respective gradations are used, at least the number of masks, that is, the steps of exposing the photomask 2 to the same exposure region on the surface of the substrate 1 while maintaining a specific positional relationship. After performing the logarithm times, the process proceeds to the next exposure area.

上記のようにして基板表面の全体にわたって露光領域を必要な場合には隙間なく充填して露光し、目標とするマイクロレンズアレイ用母型を作製する。このとき隣接する露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量は作製される単位胞の大きさにより、単位胞サイズの1/5以下、好ましくは1/50以下とすることが好ましい。単一露光領域内における階調間位置決め誤差の許容量よりも隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量の方が大きい理由は下記の通りである。   As described above, if necessary, the exposure area is filled and exposed without gaps over the entire surface of the substrate to produce a target microlens array matrix. At this time, the allowable amount of positioning error at the joint between adjacent exposure regions is preferably 1 / or less, preferably 1/50 or less of the unit cell size, depending on the size of the unit cell to be produced. The reason why the tolerance for positioning error at the joint between adjacent exposure areas is larger than the tolerance for positioning error between gradations in a single exposure area is as follows.

単一露光領域内における階調間位置決め誤差は直ちに作製される曲面形状に影響する。従って、この場合の誤差は大きくても単位胞サイズの1%以下、望ましくは0.1%以下に押さえる必要がある。これに対して隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差は作製される曲面形状には影響しない。もちろん隣接露光領域間のつなぎ目が単位胞の内部にある場合には曲面の中につなぎ目を形成することになるので、このように露光領域を設計した場合には隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差にも単一露光領域内における階調間位置決め誤差と同様に極めて小さな数値が要求される。しかし、露光領域は隣接露光領域間の接合部が横切らないように設計することが可能であり、その様な設計を行った場合には後述する遮光膜を形成することによりかなり幅の広い継ぎ目部が存在してもその影響を除去することができる。   The positioning error between gradations in a single exposure area affects the curved surface shape that is immediately produced. Therefore, even if the error in this case is large, it is necessary to suppress it to 1% or less, preferably 0.1% or less of the unit cell size. On the other hand, the positioning error at the joint between adjacent exposure regions does not affect the curved surface shape to be produced. Of course, when the joint between adjacent exposure areas is inside the unit cell, a joint will be formed in the curved surface. Therefore, when the exposure area is designed in this way, the positioning error at the joint between the adjacent exposure areas is determined. In addition, an extremely small numerical value is required as in the case of the positioning error between gradations in a single exposure region. However, the exposure area can be designed so that the junction between adjacent exposure areas does not cross. When such a design is performed, a considerably wide seam portion is formed by forming a light shielding film described later. Even if it exists, the influence can be removed.

しかしながら、継ぎ目部は遮光部であり、この部分の面積がマイクロレンズアレイ全体に占める比率が高くなれば入射光のうち該シートにおいて吸収される部分の比率も高まる。即ち、光線の利用効率が低下する。従って、継ぎ目部の幅は広くなりすぎない方がよい。以上から、隣接する露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量は単位胞サイズの1/5以下、好ましくは1/50以下とすることが好ましい。   However, the joint portion is a light shielding portion, and if the ratio of the area of this portion to the entire microlens array increases, the proportion of the incident light absorbed by the sheet also increases. That is, the light utilization efficiency is reduced. Therefore, it is better that the width of the seam portion is not too wide. From the above, it is preferable that the allowable amount of positioning error at the joint between adjacent exposure regions is 1/5 or less, preferably 1/50 or less of the unit cell size.

以上のような工程を経ることにより基板表面にはレーザーアブレージョンによって形成された滑らかな三次元パターンが完成する。これを母型としてマイクロレンズアレイを成型するための母型を製造する。   By passing through the above processes, a smooth three-dimensional pattern formed by laser abrasion is completed on the substrate surface. Using this as a mother die, a mother die for molding a microlens array is manufactured.

型の材料としては金属や合成樹脂が一般的に使用されている。金属を使用する場合、一般に電鋳と呼ばれる方法を使用する。導電性薄膜を成膜した上に電解鍍金で金属の厚膜を成長させる。   Metals and synthetic resins are generally used as mold materials. When using a metal, a method generally called electroforming is used. A thick metal film is grown by electrolytic plating on a conductive thin film.

導電性薄膜の成膜には銀鏡反応若しくは真空蒸着、スパッタリング等を使用する。   For the formation of the conductive thin film, silver mirror reaction, vacuum deposition, sputtering, or the like is used.

電解鍍金で付着する金属にはNiが一般的に用いられる。また、合成樹脂の場合、一般にSMC(Silicone MoldingCompound)と呼ばれる室温硬化型シリコーン樹脂を使用して形状転写を行う。   Ni is generally used for the metal deposited by electrolytic plating. In the case of a synthetic resin, shape transfer is performed using a room temperature curable silicone resin generally called SMC (Silicon Molding Compound).

このようにして基板表面の微細曲面形状を型に転写し、マイクロレンズアレイシートの成型を行う。型の上に非溶剤型の硬化性樹脂組成物を流し込み、マイクロレンズアレイ用基板を乗せて硬化させる。マイクロレンズアレイ用基板の厚みはマイクロレンズの焦点距離程度にしておく。   In this way, the fine curved surface shape of the substrate surface is transferred to the mold, and the microlens array sheet is molded. A non-solvent curable resin composition is poured onto the mold, and a microlens array substrate is placed thereon and cured. The thickness of the microlens array substrate is set to about the focal length of the microlens.

マイクロレンズアレイ硬化後に離型し、マイクロレンズアレイ用基板のマイクロレンズアレイが形成されていない側の面に感光性粘着剤からなる膜を積層し、マイクロレンズアレイ側から平行光を照射してマイクロレンズアレイによる集光作用により感光性粘着剤の光路と干渉する部分のみを露光硬化させる。   After the microlens array is cured, the mold is released, and a film made of a photosensitive adhesive is laminated on the surface of the microlens array substrate where the microlens array is not formed. Only the portion that interferes with the optical path of the photosensitive adhesive is exposed and cured by the light collecting action of the lens array.

感光性粘着剤としては、光ラジカル反応により架橋するタイプ、光カチオンによる酸塩基反応により架橋するタイプ等、一般に入手可能なものを使用することができる。   As the photosensitive adhesive, those that are generally available such as a type that crosslinks by a photoradical reaction, a type that crosslinks by an acid-base reaction by a photocation, and the like can be used.

その後、黒色粉体あるいは脆い黒色膜を積層して粘着性の残留している光路と干渉しない部分に付着させ、遮光層(ブラックマトリクス)とする。これにより光路上のみが透明で光路にならないマイクロレンズアレイシート表面は黒色とすることができるのでスクリーンのコントラストを増大させることができる。   Thereafter, a black powder or a fragile black film is laminated and adhered to a portion that does not interfere with the remaining optical path of the adhesive, thereby forming a light shielding layer (black matrix). As a result, the surface of the microlens array sheet that is transparent only on the optical path and does not become an optical path can be made black, so that the contrast of the screen can be increased.

さらにその上から、ブラックマトリクスを保護するためにバックシートを積層して貼り付ける。マイクロレンズアレイやバックシートの表面に反射防止膜を成膜すれば反射光による迷光が発生せず反射損失も低減できる。   Further, a back sheet is laminated and pasted thereon to protect the black matrix. If an antireflection film is formed on the surface of the microlens array or the back sheet, stray light due to reflected light does not occur and reflection loss can be reduced.

本実施例は上述のようにしたから、これまでのレーザーアブレージョン技術においては不可避であった解像度と処理速度の相反した関係を回避できる。即ち、レーザービームを拡大し、フォトマスクを介して基板表面に照射することにより、解像度がフォトマスクの解像度によって決定される。更に、一度にアブレージョンされる領域の面積が広くなるので高速で走査しなくてもアブレージョンを起こさせることができる。従って、単位時間×面積において投入されるエネルギーの量が小さくなるのでアブレージョンされた表面において急激な表面物質の蒸発が起こらず、そのためアブレージョンされた表面は平滑になる。また、本発明においてはフォトマスクを用いた階調露光の際に行う階調分割の手法について各層の厚みを等しくするのではなく、主平面に垂直な平面と曲面の交差する曲線の長さがほぼ等しくなるような分割を行うことにより曲面の全域においてほぼ均一な解像度の階調分割を実現できる。以上のことから、本実施例によれば、平滑で高度に形状が制御された曲面をもつ大面積のマイクロレンズアレイを作製することが可能となる。   Since the present embodiment is as described above, it is possible to avoid the contradictory relationship between the resolution and the processing speed, which has been unavoidable in the conventional laser ablation technology. That is, the resolution is determined by the resolution of the photomask by enlarging the laser beam and irradiating the substrate surface through the photomask. Further, since the area of the region to be ablated at a time is increased, ablation can be caused without scanning at high speed. Accordingly, since the amount of energy input per unit time × area becomes small, the surface material that has been ablated does not rapidly evaporate, and the ablated surface becomes smooth. Further, in the present invention, the thickness of each layer is not equalized in the gradation division method performed in the gradation exposure using the photomask, but the length of the curve intersecting the plane perpendicular to the main plane and the curved surface is By performing substantially equal division, it is possible to realize gradation division with substantially uniform resolution over the entire curved surface. From the above, according to the present embodiment, it is possible to manufacture a large-area microlens array having a smooth curved surface with a highly controlled shape.

本実施例の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of a present Example. 本実施例の露光領域の形状例である。It is an example of the shape of the exposure area | region of a present Example. 等高線によって階調分割を行う例である。This is an example in which gradation division is performed using contour lines. 曲面形状を基本に階調分割を行う例である。This is an example of gradation division based on a curved surface shape.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 フォトマスク
3 レーザービーム
1 Substrate 2 Photomask 3 Laser beam

Claims (7)

多数のマイクロレンズアレイが設けられた光学部材を形成するための母型の製造方法であって、基板上方にマスクパターンが形成されたフォトマスクを配設し、該フォトマスクを介してレーザービームを照射することで該基板にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンを形成する際、前記レーザービームのスポットサイズを拡大してフォトマスクを透過させた後、該レーザービームのスポットサイズを縮小して基板表面に照射することにより、該基板表面の一部を蒸発させることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。   A method of manufacturing a master for forming an optical member provided with a large number of microlens arrays, wherein a photomask having a mask pattern formed thereon is disposed above a substrate, and a laser beam is emitted through the photomask. When forming a desired three-dimensional pattern according to the mask pattern on the substrate by irradiating, the laser beam spot size is enlarged and transmitted through the photomask, and then the laser beam spot size is reduced. A method for manufacturing a matrix for a microlens array, wherein a part of the substrate surface is evaporated by irradiating the substrate surface. 請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして二値マスクが採用されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。   2. The method for manufacturing a microlens array matrix according to claim 1, wherein a binary mask is employed as the photomask. 請求項2記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、二値マスクを複数使用し、これら複数の二値マスクは、異なるマスクパターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。   3. The method of manufacturing a microlens array matrix according to claim 2, wherein a plurality of binary masks are used, and the plurality of binary masks have different mask patterns. Method. 請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは金属製で、その厚みを変化させることで前記透過率の階調が形成されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。   2. The method of manufacturing a matrix for a microlens array according to claim 1, wherein a gradation mask having a gradation of transmittance at a light shielding portion is adopted as a photomask, and the gradation mask is made of metal and the thickness thereof is changed. A method for manufacturing a matrix for a microlens array, wherein the gray scale of the transmittance is formed. 請求項4記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、階調マスクを下記(1)の工程,(2)の工程,(3)の工程及び(4)の工程を順に行うことにより作製したことを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。

(1)の工程:基板に設けた金属膜の表面に電子線レジストを塗布する工程。
(2)の工程:電子線の線量を変調させて走査することにより、電子線レジスト表面に
該電子線を照射する工程。
(3)の工程:現像して電子線が閾値以上の線量照射された部分を除去して厚み階調を
もった電子線レジスト層を形成する工程。
(4)の工程:反応性イオンエッチングにより、厚みに階調がつけられた電子線レジス
ト層を削り取り、該電子線レジスト層の厚み階調を金属膜に転写する工
程。
5. The method of manufacturing a microlens array matrix according to claim 4, wherein the gradation mask is manufactured by sequentially performing the following step (1), step (2), step (3), and step (4). A method for manufacturing a mother die for a microlens array, which is characterized by the above.
Step (1): A step of applying an electron beam resist to the surface of the metal film provided on the substrate.
Step (2): The electron beam resist surface is scanned by modulating the electron beam dose.
Irradiating the electron beam;
Step (3): develop and remove a portion irradiated with a dose of electron beam exceeding the threshold value to obtain a thickness gradation
Forming an electron beam resist layer.
Step (4): Electron beam resist with gradation added by reactive ion etching
A process for removing the thickness layer and transferring the thickness gradation of the electron beam resist layer to a metal film.
About.
請求項1記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは、電子線を吸収して特定波長を含む光の透過率が変化する層を有し、吸収した電子線量と前記特定波長を含む光の透過率が1対1に対応する範囲が存在するガラスに、電子線を線量変調して照射し露光光透過率に階調をもたせることによって作製することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。   2. The method for manufacturing a matrix for a microlens array according to claim 1, wherein a gradation mask having a gradation of transmittance at a light shielding portion is adopted as a photomask, and the gradation mask is specified by absorbing an electron beam. A glass having a layer in which the transmittance of light including a wavelength is changed, and having a range in which the absorbed electron dose and the transmittance of light including the specific wavelength have a one-to-one correspondence, A method for manufacturing a matrix for a microlens array, which is produced by irradiating and providing gradation of exposure light transmittance. 請求項3〜6のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型の交線のうち最も長い交線を、下記式(1)で表される長さに分割した点を通る主平面に平行な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型表面が交差して形成される図形を階調のパターンとして使用することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
Cs/(g−1)×(δ+1) 式(1)
但し、Cs:マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズ
アレイ用母型表面の最も長い交線の長さ
g:階調数
δ:−0.2から0.2までの数
とする。
The method for manufacturing a matrix for a microlens array according to any one of claims 3 to 6, wherein a plane perpendicular to the main plane of the matrix for the microlens array and an intersection of the matrix for the microlens array A figure formed by intersecting the plane parallel to the principal plane passing through the point obtained by dividing the longest intersection line into the length represented by the following formula (1) and the matrix surface for the microlens array is a floor. A method of manufacturing a mother die for a microlens array, characterized by being used as a tone pattern.
Cs / (g−1) × (δ + 1) Formula (1)
Where Cs: a plane perpendicular to the main plane of the matrix for the microlens array, and the microlens
The length of the longest line of intersection on the matrix surface for the array
g: Number of gradations
δ: A number from −0.2 to 0.2.
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